The semiconductor industry has decreased silicon-based device feature sizes dramatically over the last two decades for improved performance. However, current technology has approached the limit of achievable enhancement via this method. Therefore, other techniques, including introducing stress into the silicon structure, are being used to further advance device performance. While these methods produce successful results, there is not a proven reliable method for stress and strain measurements on the nanometer scale characteristic of these devices. The ability to correlate local strain values with processing parameters and device performance would allow for more rapid improvements and better process control. In this research, x-ray diffraction and convergent beam electron diffraction have been utilized to quantify the strain behavior of simple and complex strained silicon-based systems. While the stress relaxation caused by thinning of the strained structures to electron transparency complicates these measurements, it has been quantified and shows reasonable agreement with expected values. The relaxation values have been incorporated into the strain determination from relative shifts in the higher order Laue zone lines visible in convergent beam electron diffraction patterns. The local strain values determined using three incident electron beam directions with different degrees of tilt relative to the device structure have been compared and exhibit excellent agreement.

Higher frequencies in the MHz and GHz range and the increasing miniaturization lead to a higher load of the SAW (surface acoustic wave) metallizations. This higher SAW load and the intrinsic stresses result in a stress induced material transport, called acoustomigration. These microstructural changes can destroy the characteristic of the SAW device. Different Al based material combinations were investigated by different authors to improve the reliability of the metallizations and to delay the cost-intensive change to Cu based metallizations. The Cu based metallizations with TaSiN diffusion barriers were also investigated in this work. The barrier layers are necessary to impede the oxygen diffusion into the Cu layer and the Cu diffusion into the piezoelectric substrate. Also in this work the analytical TEM were used as a tool to investigate these microstructural changes in the SAW electrodes. Chemical changes in the metallizations were analysed by EDXS and EELS. The locally high resolved stress measurement in metallizations is a challenge for the future. The CBED (convergent beam electron diffraction) technique has shown the best resolution, however, it can only be applied to TEM lamellas. The aim of this work was to measure the stress within the SAW metallizations by using the CBED method. With it, we could correlate the microstructural changes with the causing stresses within the metallizations. To qualify the CBED method the thermal expansion of Al and Cu single crystals was measured by using a new model for thin TEM lamallas.

De par leurs propriétés physico-chimiques spécifiques, les nanomatériaux attirent de plus en plus la communauté scientifique. Dans ce contexte, il est important d'améliorer les techniques de caractérisation à l'échelle nanométrique. Ce travail de thèse est basé sur le développement de techniques de diffraction électronique pour l'étude de matériaux bi-dimensionnels et tri-dimensionnels.La diffraction électronique en faisceau convergent contient de nombreuses informations sur la structure l'échantillon. Ces informations, portées par les lignes de HOLZ, permettent de déterminer l'épaisseur de l'échantillon, le facteur de structure, la direction d'observation, la tension d'accélération des électrons, ainsi que la longueur de caméra. Des ambiguïtés existent dans la détermination de l'état de contraintes car un cliché expérimental est une projection bi-dimensionnelle d'une information tri-dimensionnelle. Il a été possible au cours de cette thèse de réduire ces ambiguïtés et de déterminer ainsi les composantes diagonales du tenseur de déformation à partir d'une seule direction d'observation. En étudiant l'élargissement des lignes de HOLZ, dû à une déformation non uniforme dans le sens de propagation des électrons, il a été possible de remonter au champ de déplacement suivant l'axe du faisceau d'électrons.La seconde partie de cette thèse s'intéresse aux matériaux bi-dimensionnels comme le Graphène, le Nitrure de Bore (BN) et le disulfure de Molybdène (MoS2). L'interprétation du contraste d'une image de microscopie électronique en transmission haute résolution est discutée, notamment sur l'importance de l'orientation de l'échantillon et des aberrations. Une méthode de mesure de l'orientation d'un échantillon bi-dimensionnel basée sur la projection des tâches de diffraction est présentée. Enfin, trois techniques de mesure d'épaisseur sont comparées en les appliquant à quelques couches atomique de MoS2 et BN. / The small dimensions of nanomaterials give them remarkable properties attracting the scientific community. In order to understand and control these properties, it is essential to characterize them at the nanometer scale. This thesis work is based on the development of electron microscopy diffraction techniques for the study of two and three dimensional materials.Convergent Beam Electron Diffraction patterns contain large amount of information on the sample geometry. This information, carried by HOLZ lines, allows to determine the sample thickness, the structure factor, the direction of observation, the electron acceleration voltage and the camera length. Ambiguities in strain measurement arise from the experimental two-dimensional projection of three-dimensional information. During this thesis, it has been possible to reduce these ambiguities and therefore to measure the diagonal components of the deformation gradient tensor from one direction of observation only. By studying the HOLZ lines broadening, due to a non-uniform strain along the electron beam direction, it has been possible to retrieve the displacement field along the beam direction.The second part of this thesis is focused on the study of two-dimensional materials such as Graphene, Boron Nitride (BN) or Molybdenum disulfide (MoS2). The delicate interpretation of the contrast of high-resolution transmission electron microscopy images and especially the importance of aberrations and sample tilt on this contrast is discussed. A method to quantify two-dimensional sample orientation using diffraction spots projection effect is presented. Finally, three thickness measurement techniques are compared by applying them to few-layered MoS2 et BN.

Higher frequencies in the MHz and GHz range and the increasing miniaturization lead to a higher load of the SAW (surface acoustic wave) metallizations. This higher SAW load and the intrinsic stresses result in a stress induced material transport, called acoustomigration. These microstructural changes can destroy the characteristic of the SAW device. Different Al based material combinations were investigated by different authors to improve the reliability of the metallizations and to delay the cost-intensive change to Cu based metallizations. The Cu based metallizations with TaSiN diffusion barriers were also investigated in this work. The barrier layers are necessary to impede the oxygen diffusion into the Cu layer and the Cu diffusion into the piezoelectric substrate. Also in this work the analytical TEM were used as a tool to investigate these microstructural changes in the SAW electrodes. Chemical changes in the metallizations were analysed by EDXS and EELS. The locally high resolved stress measurement in metallizations is a challenge for the future. The CBED (convergent beam electron diffraction) technique has shown the best resolution, however, it can only be applied to TEM lamellas. The aim of this work was to measure the stress within the SAW metallizations by using the CBED method. With it, we could correlate the microstructural changes with the causing stresses within the metallizations. To qualify the CBED method the thermal expansion of Al and Cu single crystals was measured by using a new model for thin TEM lamallas.

In der vorliegenden Arbeit werden epitaktische BaFe2As2 (Ba122)- Dünnschichten, die auf Spinell-Substraten mit einer Pufferschicht aus Eisen mit gepulster Laserabscheidung hergestellt wurden, durch Transmissions- (TEM) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht. Idealerweise weisen die Ba122-Dünnschichten eine biaxiale Zugdehnung von etwa 2% auf, die zur Supraleitung in ihnen führt. Der Schwerpunkt dieser Arbeit richtet sich auf die Defektanalyse und die Untersuchung des Dehnungszustandes auf Inhomogenitäten. Auf allen Dünnschichten werden Droplets des Targetmaterials beobachtet. Wenn die Höhe der Ba122-Schicht mehr als 60 nm beträgt, erfolgt eine Relaxation der Dehnung durch die Bildung von Rissen. Experimente mit konvergenter Elektronenbeugung in einem TEM sind problematisch, weil der Dehnungszustand durch die Probenpräparation (Krümmung der TEM-Lamelle) beeinflusst wird. Durch die Verwendung hochauflösender Beugung rückgestreuter Elektronen (HREBSD) in einem REM wird gezeigt, dass in allen Ba122-Dünnschichten kleine Orientierungsänderungen des Kristallgitters (≤ 0,2°) und Inhomogenitäten des Dehnungszustandes (≤ 2 × 10-4) auf Längenskalen von wenigen 100 nm oder darunter vorliegen. Auf einer Probe werden teilweise dehnungsrelaxierte Stellen nachgewiesen. Es wird außerdem belegt, dass die Eisenpufferschicht eine sehr wichtige Rolle bei der Realstruktur der Ba122-Schicht spielt. Abschließend wird HREBSD mit konventioneller Auswertung der Beugung rückgestreuter Elektronen (EBSD) verglichen. Dabei wird ermittelt, dass mit großem Aufwand und mit optimalen experimentellen Bedingungen auch durch konventionelle Auswertung der EBSD-Pattern Orientierungsunterschiede mit einer Genauigkeit, die besser ist als 0,1°, gemessen werden können. In der Gegenwart von Probenstellen mit unterschiedlichen Dehnungszuständen ergeben sich jedoch deutliche Abweichungen im Gegensatz zu der exakten Auswertung durch HREBSD.

In der vorliegenden Arbeit werden epitaktische BaFe2As2 (Ba122)- Dünnschichten, die auf Spinell-Substraten mit einer Pufferschicht aus Eisen mit gepulster Laserabscheidung hergestellt wurden, durch Transmissions- (TEM) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht. Idealerweise weisen die Ba122-Dünnschichten eine biaxiale Zugdehnung von etwa 2% auf, die zur Supraleitung in ihnen führt. Der Schwerpunkt dieser Arbeit richtet sich auf die Defektanalyse und die Untersuchung des Dehnungszustandes auf Inhomogenitäten. Auf allen Dünnschichten werden Droplets des Targetmaterials beobachtet. Wenn die Höhe der Ba122-Schicht mehr als 60 nm beträgt, erfolgt eine Relaxation der Dehnung durch die Bildung von Rissen. Experimente mit konvergenter Elektronenbeugung in einem TEM sind problematisch, weil der Dehnungszustand durch die Probenpräparation (Krümmung der TEM-Lamelle) beeinflusst wird. Durch die Verwendung hochauflösender Beugung rückgestreuter Elektronen (HREBSD) in einem REM wird gezeigt, dass in allen Ba122-Dünnschichten kleine Orientierungsänderungen des Kristallgitters (≤ 0,2°) und Inhomogenitäten des Dehnungszustandes (≤ 2 × 10-4) auf Längenskalen von wenigen 100 nm oder darunter vorliegen. Auf einer Probe werden teilweise dehnungsrelaxierte Stellen nachgewiesen. Es wird außerdem belegt, dass die Eisenpufferschicht eine sehr wichtige Rolle bei der Realstruktur der Ba122-Schicht spielt. Abschließend wird HREBSD mit konventioneller Auswertung der Beugung rückgestreuter Elektronen (EBSD) verglichen. Dabei wird ermittelt, dass mit großem Aufwand und mit optimalen experimentellen Bedingungen auch durch konventionelle Auswertung der EBSD-Pattern Orientierungsunterschiede mit einer Genauigkeit, die besser ist als 0,1°, gemessen werden können. In der Gegenwart von Probenstellen mit unterschiedlichen Dehnungszuständen ergeben sich jedoch deutliche Abweichungen im Gegensatz zu der exakten Auswertung durch HREBSD.

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